密实介质爆破鼓包运动的FE-ISE-SPH混合模型及耦合算法研究

Bulging process of compact materials such as concrete, which is under internal blast loading, involves high temperature, high pressure, high strain ratio, large deformation and crack growth of material. Numerical simulation is an important method to study this kind of problem. In order to make use of merits and to avoid shortcomings of Finite Element (FE) Method, Interface Stress Element (ISE) Method and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method, mixed model and coupling algorithm of FE-ISE-SPH are developed to simulate bulging process. The main contents of studying are: 1)In order to improve computational accuracy and efficiency of mixed model, expansion of explosive gas is simulated by SPH method, and compact material is approximated initially by FEM. When finite elements on the region of high stress gradient and crack reach a user specified values, they are converted into block elements and are calculated by ISEM. 2)Contact algorithms of particle-element and particle-block, transitional interface element between element and block are studied in coupling algorithm. 3)Technique of automatically converting finite elements into block elements is presented to realize adaptively coupling calculation between FEM and ISEM. 4)Search algorithm of Strip-like PIB, scheme of simultaneous search of contact pairs and adjacency particles are developed to improve computational efficiency of coupling method.

内爆条件下混凝土等密实介质的爆破鼓包运动涉及到高温、高压、高应变率以及材料的大变形、开裂等问题，数值模拟已成为研究此类问题的重要手段。项目根据各尽所能的原则，考虑有限元、界面元以及SPH方法存在的优缺点，发展模拟爆破鼓包运动的有限元-界面元-SPH混合模型和耦合算法。研究内容主要包括：1）混合模型采用SPH法模拟爆轰产物膨胀过程，采用有限元对密实介质进行初始离散。计算过程中，将应力梯度大、材料开裂等区域的单元自动转化为块体元，并采用界面元法计算，提高耦合模型的计算精度和效率。2）对耦合方法中存在的粒子-单元、粒子-块体元之间的接触算法，以及单元与块体元之间的过渡界面元进行研究，实现耦合计算。3）提出单元向块体元的自动转化技术，实现有限元与界面元的自适应耦合。4）提出strip-like PIB搜索算法以及接触与相邻粒子同时进行的搜索方法，提高耦合方法的计算效率。

依据项目申请书及2013-2014年度项目进展报告调整说明，项目组完成了该项目的研究计划，达到了项目研究目标。基于拉格朗日型的Navier-Stokes控制方程，开展了界面元法研究，实现了裂纹动态扩展以及界面滑移模拟。因研究发现界面元法存在计算效率低的问题，项目引入计算力学界新提出的光滑有限元方法，并将该方法与扩展有限元方法耦合，发展光滑扩展有限元方法。该部分研究工作已完成，研究表明光滑扩展有限元方法具有计算效率高，能够有效的精确地模拟材料界面和裂纹扩展问题。另外，依据项目申请书内容，项目提出了Strip-like PIB相邻粒子搜索算法，有效地提高了SPH方法的求解效率。实现了SPH方法模拟炸药爆轰产物膨胀过程。实现了粒子-单元接触算法以及有限单元向粒子的自动转化、一般单元向富集单元转化，开发了FE-SPH耦合程序，实现了耦合计算。建立了多算法混合模型，有效地模拟了密实介质中炸药爆破鼓包运动过程。项目研究揭示了密实介质爆破鼓包运动过程，基础理论研究成果获得国内外同行的正面评价，并在2个武器装备型号中得到了应用。